JP2010118675A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造の容易化、集光特性の向上を図る。
【解決手段】酸化シリコン基板と単結晶シリコン基板の２層基板を作製し、この２層基板のシリコン基板を全面エッチング等によって薄型化し、厚さが５μｍ程度のシリコン基板とした後、このシリコン基板内にフォトダイオード等の素子を形成する。そして、そのシリコン基板の上部に多層配線層、シリコン酸化膜、支持シリコン基板を貼り合わせて機械的強度を向上させた後、最初の酸化シリコン基板を除去する。この後、シリコン基板の上（裏面側）に、層間絶縁膜、カラーフィルタ、及びオンチップマイクロレンズを形成し、固体撮像素子を完成する。
【選択図】図１

Description

もと発明は、半導体基板の片面に能動素子や配線層を形成するとともに、その裏面側に光電変換素子を配置し、裏面を光電変換素子の受光領域とした裏面照射型の固定撮像素子と、その製造方法に関するものである。

従来より、例えば２次元配列された多数の画素を有し、各画素毎にフォトダイオード等の光電変換素子や画素信号読み出し用の複数のＭＯＳトランジスタを設けたＣＭＯＳイメージセンサが提供されている。
そして、このような従来のＣＭＯＳイメージセンサにおいて、半導体基板の上面に光電変換素子やＭＯＳトランジスタや各種配線を配置したものが一般的であったが、この場合、光電変換素子の受光領域がＭＯＳトランジスタや配線等を避けるように配置することが必要となるので、半導体基板の上面積や画素数に比較して受光領域の開口率が小さくなる。
そこで、最近は、半導体基板の片面にＭＯＳトランジスタや配線層を形成するとともに、その裏面側に光電変換素子を配置し、裏面を受光領域とした裏面照射型の固定撮像素子が注目されている。

図８は従来の裏面照射型固体撮像素子の具体例を示す断面図である。
この固体撮像素子は、シリコン基板１０に複数のフォトダイオード１２を設け、その上面に多層の配線層１４を設けたものである。各フォトダイオード１２はシリコン基板１０の下面（裏面）側から受光する構造となっており、シリコン基板１０の下面には大きな凹部１６を設けることにより、素子領域が薄く形成され、被写体から照射された光がフォトダイオード１２に取り込まれる。なお、凹部１６内には不図示のカラーフィルタやマイクロレンズ等の上層物が配置される。
しかしながら、この固体撮像素子では、シリコン基板１０の裏面側に凹部１６を形成するための研削及びエッチング処理が技術的にも難しく、かつ極めて長時間を要することから、実用化が困難であるという問題がある。
そこで、シリコン酸化膜で補強した薄い平板状のシリコン基板にフォトダイオードを設け、上述のような凹部を設ける必要をなくした構造の固体撮像素子が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開平９−３３１０５２号公報

しかしながら、上記従来の固体撮像素子では、フォトダイオードを設けたシリコン基板の裏面に厚いシリコン酸化膜を有する構造であるため、フォトダイオードに入射する光の一部がシリコン酸化膜によって吸収され、フォトダイオードへの集光特性が低下するという問題があった。
そこで本発明は、製造が容易で集光特性に優れた固体撮像素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像素子の製造方法は、単結晶シリコン層と酸化シリコン層の２層基板を作成する工程と、前記単結晶シリコン層を薄膜化する工程と、前記単結晶シリコン層内に前記酸化シリコン層の方向に受光部を向けて光電変換素子を形成する工程と、前記単結晶シリコン層の前記酸化シリコン層と反対側の面に配線層を形成する工程と、前記酸化シリコン層を前記単結晶シリコン層から除去する工程とを有することを特徴とする。
また、本発明の固体撮像素子は、支持基板と、前記支持基板の上面に設けられた配線層と、前記配線層の上面に設けられた薄膜平板状の単結晶シリコン層と、前記単結晶シリコン層内に前記配線層と反対方向に受光部を向けて形成された複数の光電変換素子と、前記単結晶シリコン層の上面に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の上面に設けられたカラーフィルタと、前記カラーフィルタの上面に設けられたオンチップマイクロレンズとを有することを特徴とする。

本発明による固体撮像素子の製造方法によれば、単結晶シリコン層と酸化シリコン層の２層基板から単結晶シリコン層を薄膜化し、この単結晶シリコン層内に光電変換素子を形成した後、その上に配線層を形成し、さらに酸化シリコン層を単結晶シリコン層から除去するようにしたことから、煩雑な工程を要することなく薄膜化したシリコン層内に容易に光電変換素子を形成でき、かつ、膜厚の大きい酸化膜を光電変換素子の受光部上に残すことなく固体撮像素子を完成でき、集光効率のよい固体撮像素子を作成できる効果がある。
また本発明の固体撮像素子は、支持基板によって機械的に補強された薄膜平板状の単結晶シリコン層内に光電変換素子を有し、その受光部上に薄い層間絶縁膜を介してカラーフィルタ及びオンチップマイクロレンズを有する構造により、膜厚の大きい酸化膜を光電変換素子の受光部上に設けることなくマイクロレンズを近接配置でき、集光効率のよい固体撮像素子を提供できる効果がある。

本発明の実施例１の固体撮像素子の構造を示す断面図である。 本発明の実施例１の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例２の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例２の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例３の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例３の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例３の製造工程を示す断面図である。 従来の固体撮像素子の一例を示す断面図である。

本発明の実施の形態は、酸化シリコン基板と単結晶シリコン基板の２層基板を作製し、この２層基板のシリコン基板を全面エッチング等によって薄型化し、厚さが５μm程度のシリコン基板とした後、このシリコン基板内にフォトダイオード等の素子を形成する。そして、そのシリコン基板の上部に多層配線層、シリコン酸化膜、支持シリコン基板を貼り合わせて機械的強度を向上させた後、最初の酸化シリコン基板を除去する。この後、シリコン基板の上（裏面側）に、層間絶縁膜、カラーフィルタ、及びオンチップマイクロレンズを形成し、固体撮像素子を完成する。

図１は本発明の実施例による固体撮像素子の構造を示す断面図である。
図示のように、本例の固体撮像素子は、支持シリコン基板１１０の片面（裏面）側に反射防止膜等の２層のシリコン酸化膜１２０を介して多層配線層１３０が設けられ、この多層配線層１３０に薄い平板状のシリコン基板１４０が積層され、このシリコン基板１４０に複数の光電変換素子（フォトダイオード）１５０が形成されている。
各フォトダイオード１５０は、シリコン基板１４０の裏面側を受光部として形成されており、さらに、このシリコン基板１４０の裏面側には層間絶縁膜１６０を介してカラーフィルタ１７０及びオンチップマイクロレンズ１８０が設けられている。
このような固体撮像素子では、フォトダイオード１５０の受光部が薄い層間絶縁膜１６０を介してカラーフィルタ１７０及びオンチップマイクロレンズ１８０に接しており、上述した特許文献１による従来例に比較して絶縁膜が薄い分だけ高い集光効率を実現したものとなっている。

次に、本例の固体撮像素子の製造方法について説明する。
図２は本例の固体撮像素子の基本的な製造工程を示す断面図である。
まず、図２（Ａ）において、酸化シリコン基板１４１と単結晶シリコン基板１４２の２層からなる基板を作製する。この２層基板は、各基板を貼り合わせたものや、もしくは図示の例のように、石英基板上に単結晶シリコンをエピタキシャル成長させたＳＯＩ基板を用いるものとする。
次に、図２（Ｂ）において、シリコン基板１４２を全面エッチング等によって薄型化し、厚さが５μｍ程度のシリコン基板１４０とする。
続いて、図２（Ｃ）に示すように、シリコン基板１４０内にフォトダイオード１５０等の素子を形成する。この場合、フォトダイオード１５０の受光部を酸化シリコン基板１４１側に向けて形成する。
そして、そのシリコン基板１４０の上部に多層配線層１３０を形成し、その上部に、図２（Ｄ）に示すように、２層のシリコン酸化膜１２０を介して支持シリコン基板１１０を貼り合わせて機械的強度を向上させた後、研削、エッチングまたはそれらを併用することによって裏面側の酸化シリコン基板（石英基板）１４１を除去する。
この後、図１に示したように、シリコン基板１４０の上（裏面側）に、上述した薄い層間絶縁膜１６０、カラーフィルタ１７０、及びオンチップマイクロレンズ１８０を形成し、固体撮像素子を完成する。

以上のような本実施例の固体撮像素子は、シリコン基板１４０内に形成したフォトダイオード１５０の受光部とオンチップマイクロレンズ１８０が薄い層間絶縁膜１６０及びカラーフィルタ１７０を介して近接して配置されるので、上述した特許文献１の従来例に比較して集光効率を改善でき、また、図８に示した従来例のように凹部を設ける必要がなく、容易に作成できる効果がある。
また、従来はシリコン基板中にフォトダイオードを形成して基板表面をエッチングやポリッシングで所望の厚さに薄膜化することは極めて困難であったが、本実施例では、上述のように酸化シリコン基板１４１上に５μｍ程度のシリコン基板１４０を形成してフォトダイオード１５０を形成し、その後、酸化シリコン基板１４１を完全に除去する方法であることから、フォトダイオード１５０の受光部上のシリコン層を容易かつ高精度に所望の厚さに薄膜化することができる。

次に、本発明の実施例２としてさらに具体的な固体撮像素子の製造工程を説明する。
図３及び図４は本実施例による固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。
図示の例は、１回の貼り合わせ工程を有する例であり、まず、図３（Ａ）でＳＯＩ基板２１０上のシリコン層２１１の上層に、酸化シリコン層２１２、及びシリコン層２１３を形成する。そして、図３（Ｂ）でシリコン層２１３にフォトダイオード２２０を形成し、図３（Ｃ）に示すように、その上に多層配線層２３０を形成する。
この後、図３（Ｄ）に示すように、多層配線層２３０の上に支持基板２４０を例えば熱可塑性樹脂やＳＯＧ、金属接合等を用いた低温貼り合わせによって設け、図４（Ｅ）及び（Ｆ）に示すように、ウェーハを反転して裏面側のＳＯＩ基板２１０、シリコン層２１１及び酸化シリコン層２１２をエッチング等によって除去し、シリコン層２１３を露呈させる。そして、図４（Ｇ）に示すように、このシリコン層２１３の上に反射防止膜や電極パッド等を形成し、その上にカラーフィルタやオンチップレンズ等を形成していく。

次に、本発明の実施例３としてさらに具体的な固体撮像素子の製造工程を説明する。
図５及び図６は本実施例による固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。
図示の例は、２回の貼り合わせ工程を有する例であり、まず、図５（Ａ）でＳＯＩ基板３１０上に酸化シリコン層３１１、シリコン層３１２を形成する。そして、図５（Ｂ）でシリコン層３１２にフォトダイオード３２０を形成し、図５（Ｃ）に示すように、その上に酸化シリコン層３３１を設けた第１の支持基板３３０を高温貼り付け等によって接合する。
次に、図５（Ｄ）及び図６（Ｅ）に示すようにウェーハを反転し、ＳＯＩ基板３１０及び酸化シリコン層３１１を分離する。そして、図６（Ｆ）に示すように、シリコン層３１２上に多層配線層３４０を形成後、さらに図６（Ｇ）でその上に酸化シリコン層３５１を設けた第２の支持基板３５０を貼り合わせる。
そして、図７（Ｈ）で再度ウェーハを反転し、図７（Ｉ）で第１の支持基板３３０及び酸化シリコン層３３１をエッチング等によって除去し、図７（Ｊ）に示すように、シリコン層３１２を露呈させる。そして、このシリコン層３１２の上に反射防止膜や電極パッド等を形成し、その上にカラーフィルタやオンチップレンズ等を形成していく。

１１０……支持シリコン基板、１２０……シリコン酸化膜、１３０……多層配線層、１４０……シリコン基板、１５０……光電変換素子（フォトダイオード）、１６０……層間絶縁膜、１７０……カラーフィルタ、１８０……オンチップマイクロレンズ。

Claims (6)

1. 単結晶シリコン層と酸化シリコン層の２層基板を作成する工程と、
   前記単結晶シリコン層を薄膜化する工程と、
   前記単結晶シリコン層内に前記酸化シリコン層の方向に受光部を向けて光電変換素子を形成する工程と、
   前記単結晶シリコン層の前記酸化シリコン層と反対側の面に配線層を形成する工程と、
   前記酸化シリコン層を前記単結晶シリコン層から除去する工程と、
   を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
2. 前記単結晶シリコン層と酸化シリコン層の２層基板は、単結晶シリコン基板と酸化シリコン基板の２枚の基板を貼り合わせて作成することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子の製造方法。
3. 前記単結晶シリコン層と酸化シリコン層の２層基板は、石英基板上に単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させて作成することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子の製造方法。
4. 前記配線層の上に機械的強度向上用の支持基板を設ける工程を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子の製造方法。
5. 前記酸化シリコン層を前記単結晶シリコン層から除去した後、前記単結晶シリコン層上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上にカラーフィルタ及びオンチップマイクロレンズを設ける工程とを有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子の製造方法。
6. 支持基板と、前記支持基板の上面に設けられた配線層と、前記配線層の上面に設けられた薄膜平板状の単結晶シリコン層と、前記単結晶シリコン層内に前記配線層と反対方向に受光部を向けて形成された複数の光電変換素子と、前記単結晶シリコン層の上面に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の上面に設けられたカラーフィルタと、前記カラーフィルタの上面に設けられたオンチップマイクロレンズとを有することを特徴とする固体撮像素子。

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